DE3219796A1 - Steuereinrichtung zur periodischen steuerung eines gas- oder fluessigkeitsstromes - Google Patents

Description

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Hans-Peter Messmer 8998 Lindenberg

Steuereinrichtung zur periodischen Steuerung eines Gas—

oder Flussiqkeitsstromes ff "|\

Beschreibung ¹^

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur periodisehen Steuerung eines Gas- oder Flüssigkeitsstromes, insbesondere zur Taktsteuerung bei Verbrennungskraftmaschinen.

Gas- oder Flüssigkeitströmungen, die periodisch unterbrochen bzw. verkleinert werden sollen, so z.B. bei den Gaswechseln im Viertaktmotor, werden vor allem durch über Nockenwellen angetriebene Ventile gesteuert.

Diese Steuerungsart besitzt einige wesentliche Nachteile durch die Umsetzung der Drehbewegung der Nockenwelle in eine Translation der Ventile, was zu erhöhten Reibungen und einer relativ niedrig liegenden Drehz-ehlcjirenze der Welle führte Außerdem können die einmal durch die Form der Nocken gewählten Steuerzeiten während des Betriebs nicht mehr verändert werden, obwohl dies für die Funktion oft vorteilhaft wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die ungünstige ■Ventilsteuerung durch eine Steuerung zu ersetzen, die keine Betriebsstörungen wie Ventilflattern und eine wesentlich verminderte Reibung aufweist und deren Steuerzeiten während des Betriebs verändert werden können.

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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Scheibe anstelle des Ventils tritt, die über einen der Aufgabe angemessenen Winkel eine Aussparung zum Durchlaß des flüssigen oder gasförmigen Mediums besitzt und sich synchron mit der Kurbelwelle (Verbrennungskraftmaschine) zentral um die Scheibenachse dreht. Der Antrieb der Scheibe kann dabei auch durch eine externe Einrichtung (z.B. Elektromotor) J-.' erfolgen, der im Zusammenwirken mit der Scheibe die gewünschi. _s ten periodischen Öffnungszeiten erzielt.

'-.30 Ferner erscheint es wesentlich, daß sich diese Steuereinrichtung in einem mindestens zweiteiligen Gehäuse befindet, ^ das abdichtend mindestens an den zwei Planseiten der Scheibe

anliegt und die notwendigen Öffnungen für den Durchlaß des * Mediums und die Lager oder Antriebsachsen enthält.

_; 35 Die Veränderung der Steuerzeiten bei konstanter Periode, d.h. konstanter Winkelgeschwindigkeit, wird dadurch gelöst, daß dieser Scheibe eine weitere hinzugefügt wird, die vorzugsweise gleichartig ist wie diese. Bei maximaler Öffnungszeit überdecken sich dabei deren Aussparungen. Soll nun die Öffnungszeit verkleinert werden, so wird eine der Scheiben ;v bzw. werden beide in gegensinniger Weise relativ zueinander und der antreibenden Einrichtung (Kurbelwelle, Elektromotor u.a.) gedreht, sodaß die Überdeckung der Aussparungen als i) kennzeichnende Größe der Öffnungsdauer kleiner wird.

Bei der Anwendung auf selbststeuernde Motoren (z.B. Wankelmotor) ist dabei nur eine Scheibe notwendig, da der Kolben gewissermaßen die zweite Scheibe darstellt. Zur Verminderung der Öffnungszeiten wird dabei die Scheibe so gedreht, daß sie vor dem Kolben den Strömungskanal freigibt.

Für die Güte der Steuereinrichtung sind ferner scharfe Öffnungszeiten, d.h. schnelles Öffnen des Kanals kennzeichnend. Bei der vorliegenden Erfindung werden extrem scharfe Öffnungszeiten (einige Grad Kurbelwellendrehung) dadurch erzielt, daß der o.g. Steuereinrichtung (1 oder 2 Scheiben), Grundöffner genannt, eine weitere, Schnellöffner genannt, beigefügt wird.

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Die Winkelgeschwindigkeit des Schnellöffners beträgt dabei ein Vielfaches der Winkelgeschwindigkeit des Grundöffners, wobei die Drehsinne dieser Winkelgeschwindigkeiten gleich oder entgegengesetzt sein können. Ferner ist es wesentlich, daß der Grundöffner den Strömungskanal bereits erheblich freigegeben hat, bevor der Schnellöffher beginnt, ebenfalls zu öffnen.

Bei der Verwendung von insgesamt 3 oder mehr Scheiben erscheint es günstig, jeweils zwei Scheiben oder auch alls ^'V \$£ Scheiben voneinander durch abdichtende Schotte zu trennen, ^r _i\ßr^r um ein Überströmen des Mediums zu verhindern> If"'/

Die Änderung der Steuerzeiten kann dabei sowohl im Grundöffner als auch im Schnellöffner oder in beiden gleich- ^-\ zeitig wie oben beschrieben erfolgen.

Durch die beschleunigungsfreie Bewegung der Steuereinrich- , '"- ', tung ist die Reibung bei geringem Differenzdruck (einige ^ ^J bar) vor und hinter der Scheibe vernachlässigbar. Ist der Druckunterschied jedoch sehr hoch bzw. ist der Querschnitt ^!f_{.

des Strömungskanals groß, so vergrößert sich die Reibung

erheblich. Λ ν

Dem kann durch die Anlegung eines Gegendrucks an die gegenüberliegende Seite der Scheibe entgegengewirkt werden. ,; Dabei wird vorzugsweise der Druck des zu steuernden Mediums verwendet. Dies geschieht dadurch, daß die Strömungskanäle vor und hinter der Steuerungseinheit jeweils mit der gegenüberliegenden Seite durch Gegenstromkanäle in der Weise verbunden sind, daß diese vorzugsweise zu kammern erweitert sind, die direkt mit der Scheibe in Verbindung stehen und an dieser eine Fläche aufweisen, die vorzugsweise dem Querschnitt des Hauptstromkanals entsprechen. Damit ist die Summe der Druckkräfte, die an der Steuerungseinheit angreifen, gleich null, d.h, die Reibungskraft ist entscheidend verringert.

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Ist der absolute Druck auf einer Seite der Scheibe klein, so muß nur die Hochdruckseite mit der gegenüberliegenden Seite wie oben verbunden sein.

Es ist auch eine Erweiterung der Gegenstromkanäle denkbar, wobei diese dann einen Querschnitt bis zur Größe des Hauptstromkanals aufweisen können. Hierbei haben diese dann auch die Funktion, das Medium durchzulassen wie der Hauptstromkanal; sie werden dann auch analog zum Hauptstromkanal vorzugsweise durch die gleiche Scheibe gesteuert. Dies kann auch dann geschoben, wenn der Querschnitt der Gegenstrom-

O kanäle klein ist.
, °ä.e Übertragung des Drucks in den Gegenstromkanälen auf die - Scheibe kann durch das zu steuernde Medium selbst oder insbe-' sondere bei gasförmigen Medien durch eine hydraulische Übertragung erfolgen.

Damit ist der erfindungsgemäßen Aufgabe entsprochen. Diese Steuerung besitzt nahezu keine Drehzahlbegrenzung, sie ist ', einzig und allein durch die Trägheit des zu steuernden Mediums bestimmt. Außerdem besitzt die erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung sehr scharfe Öffnungszeiten und die Möglichkeit, diese auf einfache Weise während des Betriebs

zu verändern. Die nahezu reibungsfreie Punktion verbürgt \ insbesondere in Verbindung mit Verbrennungskraftmaschinen hohe Wirkungsgrade,
Alle o.g. Vorteile sind mit herkömmlichen Ventilsteuerungen nicht oder nur mit erheblich größerem Aufwand zu verwirklichen.

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Im folgenden ist die Erfindung anhand von schematisierten Beispielen veranschaulicht. Es zeigen:

Fig, 1: einen Querschnitt durch ein Steuerscheibenpaar mit einer Zusatzeinrichtung zur Drehung der

Scheiben, wie es zur Steuerung eines Viertakt-■\ motors Verwendung finden kann;

Fig. 2: einen Schnitt längs der Linie I-I der Fig. 1,

gleichbedeutend mit der Draufsicht auf eine der Scheiben;

Querschnitt eines Schiebers der Fig.l;

Seitenansicht (vergrößert) der zwei Schieber und den mit ihnen verbundenen Stangen der Fig.l.

die Überschneidung der Aussparungen bei maximaler Öffnungszeit;

Fig. 6: die Überschneidung der Aussparungen bei verminderter Öffnungszeit;

Fig. 7: den Funktionsablauf der Steuereinrichtung während einer Umdrehung.

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		;Fig.	4
Fig.	5

Die Welle 1 wird mittels des Zahnrades 2..von der Kurbelwelle; eines Motors angetrieben und besitzt an zwei gegenüber liegenden Seiten zwei Längsnuten 3 und 4 (Fig.l). Diese Welle 1 ist umschlossen von zwei gleichartigen Wellen 5 und 6, die ausschließlich drehbar gelagert sind und zwei mit ihren Stirnseiten aneinanderliegende Steuerscheiben 7 und 8 unverrückbar tragen und an zwei gegenüberliegenden Seiten die spiralförmigen Nuten 9 und 10 besitzen, die gegensinnigen Windungssinn haben. Die Scheiben 7 und 8 besitzen zum 'Durchlaß der Gase in einem Abstand d von ihrer Drehachse I₇, 'der dem Abstand der hier nicht gezeigten Zulauf- und Ablaufkanäle von der Achse 1 entspricht, über einen der Aufgabe angemessenen Winkel die kreisbogenförmigen Aussparungen 11 und 12 (Fig.2).

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In den Nuten laufen die Schieber 13 und 14, die mittels einer geeigneten Vorrichtung (Schubstange 15) in Längsrichtung verschoben werden können. Dabei fassen die Fortsätze der Schieber (16, 17 bzw. 18, 19) in die Nuten 3, 9 bzw. 4, 10 der Wellen 5 und 6, was durch deren Zusammenwirken und die Verbindung der Schieber 13 und 14 durch die Schubstange 20 zu einer gegensinnigen Drehung der Scheiben zueinander führt (Fig. 3 und 4):

Wird die Schubstange 15 verschoben, so bewegen sich die Schieber 13 und 14 parallel zur Achse 1, daihre Fortsätze ^J· 16 und 18 in die Nuten 3 und 4 der Welle 1 greifen und ein Drehen.verhindern. Demgegenüber bewirkt dies bei den umschließenden Weilen 5 und 6 eine Drehung , da sie einerseits nicht längs der Welle 1 verschoben werden können, aber auf sie aufgrund der spiralförmigen Nuten 9 und 10 eine drehende Kraft wirkt.

Damit ist die Veränderung der Steuerzeiten gewährleistet, was aber nicht ausschließt, daß zur Drehung der Scheiben andere Einrichtungen verwendet werden.

Fig. 5 zeigt die Überschneidung der Aussparungen der zwei Steuerscheiben bei maximaler Öffnungszeit (z.B. hoher Motordrehzahl). Wird nun die Schubstange 15 verschoben, so verringert sich durch die Drehung der Scheiben die Überschneidung, d.h. es ergibt sich das Bild der Fig. 6 (Überschneidung schraffiert). Die Steuereinrichtung, insbesondere die Steuerscheiben befinden sich dabei stets im abdichtenden Gehäuse 21 (Fig. 1/2).

Da sich die Steuerscheiben synchron mit der Kurbelwelle I- dcehen, öffnen und schließen die Scheiben periodisch die Ein- und Auslässe, d.h. der Strom wird gesteuert. Dies ist in Fig_s 7 veranschaulicht:

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Der Strömungskanal 22 soll durch das Scheibenpaar 7/8 periodisch geöffnet oder gesperrt werden, das sich um die Achse 1 mit der angegebenen Drehrichtung 23 dreht. Dabei besitzt die erste Scheibe die Aussparung 11 und die zweite Scheibe die Aussparung 12, sodaß sich die Überschneidung 24 ergibt.

In Fig. 5a überdecken sich zwar Aussparung 12 und der Strömungskanal 22; er ist aber trotzdem gesperrt, da nur eine Überdeckung des Strömungskanals und der Überschneidung 24 der Aussparungen 11 bzw. 12 diesen freigibt.

Dies ist in Fig. 5b der Fall, d.h. es kann Gas durch den Kanal 22 strömen.

Fig. 5c zeigt den weiter fortgeschrittenen Zustand. In Fig. 5d verläßt die Überschneidung 24 den Kanal 22, d.h. die Gasströmung wird abgebremst und ist schließlich bei Fig. 5e vollkommen unterbrochen.

Fig. 5f und 5g zeigen den weiteren Verlauf, bis in Fig. 5h die Ausgangsstellung wieder erreicht ist.

Im folgenden ist der prinzipielle Aufbau zur Erzielung extrem scharfer Öffnungszeiten schematisiert wiedergegeben. Es zeigen;

Fig. 8: den Querschnitt der Einrichtung ohne Gehäuse; Fig. 9: die Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 8.

Dem Grundöffner 7/8 (Scheibenpaar) (Fig.8) ist eine weitere Steuerscheibe 25 (Schnellöffner) beigefügt, die mit gleichem oder entgegengesetztem Drehsinn um die Scheibenachse 1 und mit einem Vielfachen 26 der Winkelgeschwindigkeit 23 des Grundöffners rotiert (Fig. 9). Der Schnellöffner besitzt dabei vorzugsweise die gleiche Form wie die Scheiben 7 und 8 des Grundöffners, nur die Größe der Aussparung 11 bzw. 12 (Fig. 2) wird im alIg. von der des Schnellöffners (27) abweichen. Der Antrieb erfolgt am einfachsten über eine Zahnrad- oder Schneckenübersetzung durch die Welle 1, sodaß hierbei höhere und/oder entgegengesetzte Winkelgeschwindigkeiten möglich sind.

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Die Steuerung erfolgt aus dem Zusammenwirken von Schnellöffner 25 und Grundöffner 7/8:

Bedingt durch die Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit 26 beim Schnellöffner 25 erfolgt hier die Freigabe bzw. das Schließen des Strömungskanals 22 (Fig. 8/9) wesentlich -schneller als beim Grundöffner 7/8. Durch diese erhöhte Rotationsgeschwindigkeit ist aber die Periode für die Steuerung kleiner, d.h. der Schnellöffner würde den Kanal öfter freigeben als dies erwünscht ist. Dem wirkt der Grundöffner entgegen; nur wenn auch dieser den Kanal freigibt, ^ 225 kann die Strömung stattfinden. Ansonsten findet zwar auch ^-^; Überdeckung von Kanal und Schnellöffner statt, aber dieser bleibt weiterhin durch den Grundöffner verschlossen, d.h. nur wenn die Aussparungen von Grundöffner und Schnellöffner mit dem Kanal decken, erfolgt die Freigabe der Strömung.

Für die Funktion ist dabei wesentlich, daß der Grundöffner bereits erheblich den Kanal freigegeben hat, bevor der Schnellöffner beginnt, diesen freizugeben, da sonst keine schärferen Steuerzeiten erzielt werden. Aus o.g. ist zu entnehmen, daß sich als Periode für die Öffnung des Kanals diejenige des Grundöffner ergibt.

Die Änderung der Steuerzeiten kann (wie hier) im Grundöffner nach o.g. Muster erfolgen. Werden mehr als insgesamt zwei Scheiben verwendet, so sind sie mindestens Paarweise durch das Schott 28 (Fig. 8) abdichtend zu trennen, da sonst Überströmen stattfindet, auch wenn sich nicht alle Aussparungen 11/12 und 27 decken.

Im folgenden wird der schematisierte Aufbau zur Verminderung der Reibungsverluste bei großen Druckdifferenzen erlätert. Es zeigen:

Fig. 10: einen Querschnitt durch die Anordnung, wobei alle zum Verständnis unwesentlichen Teile nicht dargestellt sind;

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Fig. 11: einen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 10;

Fig. 12: eine Möglichkeit, den Druck hydraulisch zu übertragen.

.Die zwei Hauptstromkanäle 22/1 und 22/2, durch die die Strömung erfolgt, sind vor (22/1) und hinter (22/2) der Scheibe 7 über die zwei Gegenstromkanäle 29 und 30 jeweils mit der gegenüberliegenden Seite der Steuerscheibe 7 in der Weise verbunden, daß dort jeweils auf eine Fläche 31 bzw. 32 vorzugsweise der Größe des Querschnitts der Kanäle 22/1 und 22/2 die Druckkräfte des zu steuernden Mediums wirken (Fig. 10). Die Flächen 31 und 32 sind dabei zu Kammern erweitert. Damit ist die Summe der angreifenden Druckkräfte gleich null. Zum Durchlaß des Mediums besitzt die Scheibe 7 die Aussparung 11 (Fig. 11).

Die Gegenstromkanäle 29 und 30 können auch zum Durchlaß des •Mediums herangezogen werden, indem daß die Freigabe der Strömung durch die Gegenstromkanäle 29 und 30 , d.h. die Verbindung der Kammern 31 und 32 ebenfalls durch die Scheibe 7 erfolgt, die hierzu eine weitere Aussparung 33 besitzt (Fig. 11).

Ist der absolute Druck auf der Ablaufseite (22/2) klein, so kann die Druckausgleichvorrichtung (30/31) entfallen, da dieser kleine Druck keinen wesentlichen Beitrag zur Reibung liefert. Es besteht dann nur der Gegenstromkanal

29 mit der Kammer 32 auf der Hochdruckseite 22/1.

Die Übertragung des Drucks in den Gegenstromkanälen erfolgt durch das zu steuernde Medium selbst, d.h. die Kanäle 29 und;

30 und die Kammern 31 und 32 sind mit diesem Medium gefüllt (falls die Gegenstromkanäle zum Durchlaß des Mediums herangezogen werden eine Notwendigkeit) oder insbesondere bei Gasen wegen deren starken Volumenänderung mit dem Druck durch ein hydraulisches Medium (z. B. Hydrauliköl). Dabei muß der Druck des zu steuernden Mediums auf die Hydraulik-

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flüssigkeit übertragen werden. Dies geschieht z.B. dadurch, daß eine Membran 34 Gas und Hydrauliköl trennt, jedoch so elastisch ist, daß aie den Druck des Gases aus den Kanälen 22/1 bzw. 22/2 ohne große Verluste auf das Öl und somit auf die Kammern 31 und 32 überträgt. Dies besitzt den Vorteil, daß bei schnellen Druckwechseln keine Strömung in den Geg.enstromkanälen auftritt, die zu einem Pumpverlust und"damit ungenauem Druckausgleich führtiFig. 12).

Claims (5)

Hans-Peter Messmer 8998 Lindenberg Steuereinrichtung zur periodischen Steuerung eines Gasoder Flussiqkeitsstromes Patentansprüche . ' Steuereinrichtung zur periodischen Steuerung eines Gas- oder Flüssigkeitsstromes, ; 'dadurch gekennzeichnet, daß 1.1.fdiese eine scheibenförmige Grundform aufweist,

1.2. die über einen der Aufgabe angemessenen Winkel einö Aussparung (11) zum Durchlaß des flüssigen oder gasförmigen Mediums besitzt und

,1.3. sich synchron mit der Kurbelwelle (Verbrennungskräftmaschine) zentral um den Scheibenmittelpunkt ( ή ) r;\ ,10 cireht oder

1.4. durch eine externe Einrichtung (Elektromotor) ange- * ■- trieben wird, sodaß die gewünschten periodischen Öffnungszeiten erzielt werden.

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, .15 dadurch gekennzeichnet, daß

'2.1. sich diese Steuereinrichtung im mindestens zweiteiligen Gehäuse befindet,

2.2._?das abdichtend an den beiden Planseiten der Steuereinrichtung anliegt

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2*3* und das die dazu notwendigen Öffnungen und Lagerungen enthält.

3. Steuereinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß

3.1. zur Veränderung der Steuerzeiten während des Betriebs bei unveränderter Winkelgeschwindigkeit und damit konstanter Periode der Öffnungen zwei Scheiben (7-/$) derart zusammengefügt werden, daß

„-, ' "3.2.'-sich bei maximaler Qffhungsdauer deren Aussparungen überdecken und

3.3. bei verminderter Öffnungsdauer diese zwei Scheiben in gegensinniger Weise relativ zueinander und der antrei-; benden Einrichtung (Kurbelwelle, Elektromotor) gedreht werden,

3.4. sodaß die Überdeckung der Aussparungen als kennzeichnende Größe der Öffnungsdauer kleiner wird und daß

'3.5, bei der Anwendung auf selbststeuernde Motoren (z.B. Wankelmotor) nur eine Scheibe notwendig ist, die analog zu 3.3. und 3.4. gedreht wird, sodaß sie bei verminderter Öffnur.gsdauer

3.6. ;yor dem Kolben öffnet,

'4. Steuereinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

4.1. zur Erzielung von sehr scharfen Öffnungszeiten der

Steuereinrichtung nach Anspruch 1 (Grundöffner) (.JI8) 4.5 .. (feine weitere (Schnellöffner) (.2ζ) beigefügt wird,

' 4.2, deren Winkelgeschwindigkeit ein vielfaches der Winkelgeschwindigkeit der anderen Steuereinrichtung (23) ^b beträgt,

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4.3. wobei diese Steuereinrichtung (2h>) den gleichen oder entgegengesetzten Drehsinn (2b bzw. co-, ) des Grundöffners besitzen kann und

4.4. der Grundöffner bereits erheblich geöffnet hat, bevor der Schnellöffner zu öffnen beginnt, sowie

4.5. bei Verwendung von insgesamt 3 oder mehr Scheiben vorzugsweise ein Scheibenpaar durch eine Art Schott (28) von den anderen Scheiben oder auch alle Scheiben durch solche Schotte voneinander getrennt sind,

4.6. wobei die Änderung dar Steuerzeiten im Grundöffner (7/8) oder im Schnellöffner (2ζ) oder in beiden erfolgen kann.

5. Steuereinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

5.1. bei erheblichem Differenzdruck vor und hinter der (den) Scheibe(n) (7 ) zur Verminderung der Reibung einer oder beide Strömungskanäle vor (ZlH) und hinter (ΖΙΙΏ der (den) Scheibe(n) jeweils mit der gegenüberliegenden Seite in der Weise verbunden ist, daß

5.2. dort jeweils auf eine Fläche (3Ί bzw.32. ) vorzugsweise der Größe des Querschnitts des gesamten Kanals deren Druckkräfte wirken und somit die Summe der an der Scheibe (7 ) angreifenden Druckkräfte gleich null ist, wobei

5.3. u.U. bei der Öffnung des Strömungskanals durch die Scheibe(n) diese zwei Kanäle (Gegenstromkanäle) (l°5> und 3C) ebenfalls miteinander verbunden werden, was vorzugsweise durch die gleiche Scheibe geschieht

5.4. oder bei hinreichend kleinem absoluten Druck auf einer Seite nur die Hochdruckseite mit der gegenüberliegenden Seite der Scheibe(n) verbunden ist, wobei

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5.5. diese Übertragung des Drucks in den Gegenstromkanalen (23 und ZO ) durch die zu steuernden Medien selbst oder

5.6. durch eine hydraulische Übertragung, insbesondere bei gasförmigen Medien, erfolgen kann.